Kwantowy układ, który nie chce się nagrzać. Fizycy zaobserwowali zaskakujące zjawisko

Wyzwanie dla klasycznej fizyki w świecie kwantów

Zespół naukowców z Uniwersytetu w Innsbrucku dokonał obserwacji, która stawia pod znakiem zapytania nasze podstawowe rozumienie termodynamiki. Zaobserwowali oni układ kwantowy, który uparcie odmawia podgrzania się, mimo że jest nieustannie bombardowany impulsami laserowymi. To odkrycie, zaprezentowane szerzej na łamach prestiżowego czasopisma Science, mocno nadwyręża naszą klasyczną intuicję fizyczną.

Zwykle każdy system, do którego dostarczamy energię, w końcu się nagrzeje. W zamrożonym do niemal zera absolutnego świecie kwantowym sprawy mają się jednak inaczej.

Na czym polega niezwykłość zjawiska?

W klasycznym świecie, zgodnie z zasadami termodynamiki, dostarczenie energii do układu prowadzi do wzrostu jego temperatury i zwiększenia nieuporządkowania (entropii). Eksperyment przeprowadzony przez austriackich fizyków pokazuje, że w ściśle kontrolowanych warunkach kwantowych ten proces może zostać zatrzymany lub radykalnie spowolniony.

Układ, będący obiektem badań, składał się z jonów uwięzionych w pułapce elektromagnetycznej i schłodzonych do temperatur bliskich zeru absolutnemu. Mimo aplikowania serii impulsów laserowych, które teoretycznie powinny dostarczać energię, temperatura układu pozostawała stabilna.

Możliwe wyjaśnienia i implikacje

Naukowcy sugerują, że za obserwowane zjawisko mogą odpowiadać unikalne stany kwantowe, które są odporne na nagrzewanie. Kluczowe mogą tu być efekty takie jak:

Lokalizacja wielu ciał (Many-Body Localization): stan, w którym układ nie osiąga równowagi termicznej pomimo dostarczania energii.
Zaburzenia topologiczne: szczególne właściwości materii chronione przed wpływem zewnętrznym.
Dynamika niemająca stanu stacjonarnego (Non-thermal dynamics): układ ewoluuje, ale nie do stanu równowagi termicznej.

Odkrycie to ma potencjalnie ogromne znaczenie dla rozwoju nowych technologii. Zrozumienie i kontrolowanie układów, które nie nagrzewają się pomimo dostarczania energii, mogłoby zrewolucjonizować projektowanie:

Kwantowych komputerów, gdzie niekontrolowane nagrzewanie jest główną przeszkodą w utrzymaniu stanów kwantowych (kubitów).
Niezwykle precyzyjnych czujników kwantowych.
Nowych materiałów o niespotykanych właściwościach termicznych.

Podsumowanie i przyszłe kierunki badań

Obserwacja dokonana przez zespół z Innsbrucku otwiera nowy rozdział w fizyce materii skondensowanej i termodynamice kwantowej. Pokazuje, że w mikroświecie rządzącym się prawami mechaniki kwantowej, nasze klasyczne oczekiwania mogą być zawodne. Kolejnym krokiem dla naukowców będzie próba pełnego zrozumienia mechanizmów stojących za tym zjawiskiem oraz sprawdzenie, czy można je odtworzyć i kontrolować w innych systemach. To odkrycie przypomina nam, że natura wciąż potrafi zaskakiwać, a granice naszej wiedzy są wyznaczane przez kolejne, śmiałe eksperymenty.

Foto: www.unsplash.com